Le dinucléotide nicotinamide-adénine ou nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) est une coenzyme présente dans toutes les cellules vivantes. Il s'agit d'un dinucléotide, dans la mesure où la molécule est constituée d'un premier nucléotide, dont la base azotée est l'adénine, uni à un second nucléotide, dont la base est le nicotinamide. Le NAD existe sous une forme oxydée, notée NAD+, et une forme réduite, notée NADH.

Le NAD intervient dans le métabolisme comme transporteur d'électrons dans les réactions d'oxydoréduction, le NAD+ comme oxydant et le NADH comme réducteur. Le NAD intervient également dans quelques autres processus cellulaires, notamment certaines modifications post-traductionnelles — ADP-ribosylation — des protéines nouvellement synthétisées. En raison de l'importance de ces fonctions cellulaires, les enzymes impliquées dans le métabolisme du NAD font l'objet de diverses recherches pharmaceutiques.

Le NAD peut être synthétisé in vivo à partir du tryptophane et de l'aspartate, deux acides aminés protéinogènes, ainsi que de la vitamine B3 (niacine). Des composés semblables sont libérés par des réactions qui dégradent la structure du NAD, mais ces composés sont généralement récupérés par des voies dites de sauvetage, qui les recyclent sous leur forme active. Une fraction du NAD est également convertie en nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP), une coenzyme dont la biochimie est très proche de celle du NAD mais dont le rôle métabolique est sensiblement différent.

Le signe + de la graphie NAD+ représente la charge électrique formelle de l'hétéroatome d'azote du nicotinamide, qui disparait dans le NADH, mais le NAD+ est en réalité un anion de charge -1 à pH physiologique, tandis que le NADH est un dianion, de charge -2.

D'un point de vue économique, le prix élevé du NADH/NAD+ constitue souvent un inconvénient lors de l'utilisation d'enzymes dépendantes de cofacteurs dans les procédés de biotechnologie industrielle. Par conséquent, le développement de cofacteurs biomimétiques synthétiques peu coûteux représente un enjeu de recherche stratégique.

Propriétés Chimie redresse=1.2|vignette|class=skin-invert-image| Réactions d'oxydoréduction du NAD.

Comme tous les dinucléotides, le nicotinamide adénine dinucléotide est constitué de deux nucléosides unis par un groupe diphosphate. Chacun des nucléosides contient un résidu de ribose, l'un étant lié à un résidu d'adénine sur l'atome de carbone en position 1’, tandis que l'autre est lié, sur la position équivalente de l'autre nucléotide, à un résidu de nicotinamide. Ce dernier peut prendre deux orientations différentes, ce qui donne deux diastéréoisomères ; seul le diastéréoisomère à nicotinamide β est présent dans les systèmes biologiques. Les deux nucléotides sont unis par un pont diphosphate entre leurs atomes de carbone en position 5’.

Le NAD intervient dans les réactions d'oxydoréduction comme accepteur d'électrons (NAD+, oxydant) ou donneur d'électrons (NADH, réducteur) :

+ + H+ + .

Deux électrons sont transférés au NAD+, mais avec un seul proton, de sorte que l'autre proton est libéré sous forme d'ion H+. Plus précisément, un électron est transféré à l'hétéroatome d'azote du cycle pyridine, dont la charge électrique passe de +1 à 0, tandis qu'un atome d'hydrogène est transféré sur l'atome de carbone en position 4, à l'opposé de l'atome d'azote dans le cycle pyridine. Le potentiel d'oxydoréduction NAD+/NADH vaut , ce qui en fait un réducteur fort. Cette réaction est aisément réversible, de sorte que le coenzyme peut continuellement osciller entre les états oxydé et réduit au gré des oxydations et réductions auxquelles elle participe, sans être dégradée.

Physique redresse=1.2|vignette| Spectres d'absorption comparés du NAD+ et du NADH.

Le nicotinamide adénine dinucléotide oxydé et réduit se présente sous la forme de poudres blanches à grains amorphes, hygroscopique et très soluble dans l'eau. Il est stable sous forme solide s'il est conservé à sec à l'abri de la lumière. Les solutions de NAD+ sont incolores et demeurent stables pendant à peu près une semaine à et pH neutre, mais se décomposent rapidement à pH acide ou basique ; en se décomposant, il forme des composés qui agissent comme inhibiteurs d'enzymes dont ils sont coenzymes.

Le NAD+ et le NADH sont tous les deux très absorbants dans l'ultraviolet du fait de la présence d'adénine dans la molécule. Le pic d'absorption du NAD+ s'observe à une longueur d'onde de , avec une absorptivité molaire de . Le NADH absorbe l'ultraviolet à plus grande longueur d'onde, avec un second pic d'absorption à pour une absorptivité de . Cette différence entre les spectres d'absorption du NAD+ et du NADH offre un moyen simple de mesurer la conversion de l'un en l'autre lors des en mesurant l'absorption à à l'aide d'un spectrophotomètre.

Le NAD+ et le NADH diffèrent également du point de vue de leur fluorescence : le NADH en solution présente un pic d'émission à avec une durée de vie à l'état excité de tandis que le NAD+ ne présente pas de fluorescence. Les caractéristiques du signal de fluorescence varient lorsque le NADH se lie aux protéines, de sorte que ces variations peuvent être mises à profit pour mesurer les constantes de dissociation, déterminantes dans l'étude de la cinétique enzymatique. Ces variations sont également étudiées par microscopie à fluorescence afin de mesurer les changements d'état rédox des cellules vivantes.

Concentration cellulaire des formes oxydée et réduite du NAD — et du NADP

La quantité totale de NAD+ et de NADH dans le foie de souris est d'environ de matière humide, ce qui représente environ dix fois la concentration en NADP+ et NADPH dans les mêmes cellules. La concentration réelle de NAD+ dans le cytosol de ces cellules est plus difficile à mesurer, les estimations avoisinant pour les cellules animales et chez la levure. Cependant, plus de 80 % de la fluorescence du NADH des mitochondries provient de formes liées à des protéines, de sorte que la concentration des formes libres en solution est bien plus faible.

Les données relatives aux autres compartiments cellulaires sont limitées, cependant la concentration de NAD+ dans les mitochondries est semblable à celle du cytosol. Le NAD+ y est importé par un transporteur membranaire spécifique car cette coenzyme ne peut diffuser à travers la bicouche lipidique des membranes.

L'équilibre entre les formes réduite et oxydée du NAD est appelé ratio [NAD+]/[NADH]. Ce ratio est indicateur important de l'état rédox de la cellule, qui reflète à la fois l'activité métabolique de la cellule et sa bonne santé. Les effets du ratio [NAD+]/[NADH] sont complexes, dans la mesure où il contrôle l'activité de plusieurs enzymes clés, dont la déshydrogénase de glycéraldéhyde-3-phosphate et la pyruvate-déshydrogénase. Dans les tissus sains de mammifères, ce ratio entre espèces libres dans le cytoplasmes vaut typiquement 700, ce qui favorise les réactions d'oxydation. Le ratio de [NAD+]/[NADH] total est bien plus faible, les estimations chez les mammifères étant de l'ordre de 3 à 10. À l'opposé, le ratio des espèces libres [NADP+]/[NADPH] est généralement de l'ordre 0,005, de sorte que c'est la forme réduite NADPH de cette coenzyme qui est largement prédominante. Ces différences sont essentielles pour comprendre le rôle fondamentalement différent du NAD et NADP dans le métabolisme.

Biosynthèse La biosynthèse du NAD+ est réalisée à travers deux voies métaboliques : par une voie de novo à partir de précurseurs élémentaires, ou par une voie de sauvetage à partir de produits de dégradation, tels que le nicotinamide.

Synthèse de novo redresse=1.5|vignette|class=skin-invert-image| Métabolisme du NAD.

La plupart des êtres vivants produisent le NAD+ à partir de précurseurs élémentaires. Le détail des réactions dépend des organismes, mais ils ont en commun de passer par l'acide quinoléique (QA) à partir d'un acide aminé, en l'occurrence le tryptophane (Trp) chez les animaux et certaines bactéries, ou l'aspartate (Asp) chez les plantes et d'autres bactéries. L'acide quinolinique est converti en acide nicotinique mononucléotide (NaMN) par transfert sur du phosphoribose, puis l'ensemble est transféré sur une unité adénylate pour former l'acide nicotinique adénine dinucléotide (NaAD), et le résidu d'acide nicotinique est finalement aminé en nicotinamide pour former le NAD.

Une partie du NAD+ peut ensuite être phosphorylé en NADP+ par la NAD+ kinase. La plupart des êtres vivants utilisent l'ATP comme donneur de groupe phosphate, mais certaines bactéries telles Mycobacterium tuberculosis et certaines archées telles que l'hyperthermophile utilisent le polyphosphate inorganique comme donneur de phosphoryle.

Voies de sauvetage redresse=1.5|vignette|class=skin-invert-image| Structures de l'acide nicotinique (NA), du nicotinamide (Nam) et du N-ribosylnicotinamide (NR).

Outre l'assemblage de novo à partir de précurseurs tels que des acides aminés, les cellules disposent de voies métaboliques de sauvetage des composés à base de pyridine, telles que la voie de sauvetage des nucléotides. Les trois précurseurs vitaminiques utilisés par ces voies de sauvetage sont l'acide nicotinique (NA), le nicotinamide (Nam) et le N-ribosylnicotinamide (NR). Ces composés peuvent être obtenus dans l'alimentation et sont désignés collectivement vitamine B3 ou niacine ; ils peuvent également se former dans les cellules par dégradation du NAD+ cellulaire. Certaines des enzymes intervenant dans ces voies de sauvetage sont concentrées dans le noyau de la cellule, ce qui permet de compenser l'utilisation intensive de cette coenzyme dans cet organite. Certaines publications font état de l'absorption directe par les cellules de mammifère du NAD+ de leur milieu extracellulaire.

Chez l'humain, les réactions de sauvetage sont essentielles bien que la voie de novo soit également présente. Une carence en vitamine B3 provoque la pellagre, une maladie survenant notamment en contexte de malnutrition. Les besoins cellulaires élevés en NAD proviennent de la consommation continuelle de cette coenzyme au cours de réactions telles que les modifications post-traductionnelles, dans la mesure où son utilisation dans les réactions d'oxydoréduction n'altère pas sa concentration cellulaire.

Les voies de sauvetage utilisées chez les microorganismes sont différentes de celles des mammifères. Certains pathogènes, tels que la levure Candida glabrata et la bactérie Haemophilus influenzae sont incapables de produire leur NAD mais possèdent des voies de sauvetage et sont par conséquent dépendantes de la disponibilité de ces précurseurs. La bactérie intracellulaire Chlamydia trachomatis est quant à elle totalement dépourvue de gène en rapport avec la biosynthèse ou le sauvetage du NAD et du NADP, ce qui fait qu'elle doit acquérir ces coenzymes de son hôte.

Fonctions biochimiques

Le nicotinamide adénine dinucléotide assure plusieurs fonctions biochimiques dans le métabolisme des cellules. Il intervient comme coenzyme dans les réactions d'oxydoréduction, comme donneur de groupes ADP-ribose dans les réactions d'ADP-ribosylation, comme précurseur du messager secondaire ADP-ribose cyclique, ainsi que comme substrat des ADN-ligases bactériennes et des sirtuines, ces dernières utilisant le NAD+ pour la désacétylation des histones. De surcroît, le NAD+ peut être libéré des cellules spontanément et par des mécanismes régulés, ce qui lui confère également des fonctions extracellulaires.

Interaction avec les oxydoréductases

redresse=1.25|vignette|Structure du pli Rossmann de la lactate déshydrogénase de Cryptosporidium parvum liée au NAD+, représenté en rouge ().